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1桥梁健康监测第一节绪论随着桥梁分析理论、施工技术、材料性能的迅速发展,桥梁跨度越来越大。斜拉桥跨度已达到890m(日本多多罗大桥),连接江苏南通与苏州的苏通大桥主桥斜拉桥跨度超过1080m;悬索桥跨度已达到1991m(日本明石大桥),国内润扬大桥为1490m,江阴大桥为1385m,钢拱桥最大跨度为上海卢浦大桥(550m),钢管混凝土拱桥为巫峡长江大桥(460m)。桥梁结构越来越柔,跨径越来越大,不仅要求精确严密的计算与施工技术,而且对桥梁建成后的安全养护提出了更高的要求。大型桥梁的生命过程一般包括规划与论证、设计、施工、运营管理以及养护维修等几个阶段,以往人们往往主要只关注设计与施工阶段,由于投资巨大、重要性突出,大型桥梁的总体规划也日益受到重视。虽然合理、保守的设计是结构安全的根本保证,但是限于当前对于大型复杂结构的认识程度及许多不定时或不可预测因素,比如超期服役、腐蚀、疲劳、撞击、爆炸、地震、洪水、飓风等自然灾害,人们难以进行预测与控制,为了确保大型复杂结构特别是大型桥梁的使用安全与耐久性,时时了解其健康状况是非常重要的。大型桥梁在建成后,缺乏科学监测与管理对桥梁状态的影响日益突出,国内如广州海印桥的部分斜拉索因锈蚀而突然断裂,济南黄河公路大桥的斜拉索也发生严重锈蚀而被迫提早更换,宜宾小南门金沙江拱桥吊杆断裂造成人车坠入江中;辽宁盘锦田台庄大桥挂梁突然落下,坠入辽河。在国外,大型桥梁的突然倒塌与破坏事故也屡见不鲜,如1994年韩国汉城圣水大桥在上班时刻跨中央断塌50m,造成32人死亡,17人重伤的重大事故;2007年7月,美国明尼苏达州首府横跨运河的大桥在交通高峰期间突然坍塌,造成8人死亡,100余人受伤的重大事故。在西方发达国家,大规模的交通基础设施建设高潮已经成为过去,目前主要任务和重点是大量路桥的维修、加固和改造。根据美国土木工程师协会(ASCE)2004年公布的调查结果:美国有35%的桥梁在结构或使用上存在缺陷或老化,未来20年内治理桥梁病害、维修加固桥梁的开支预期将达到9000亿美元。以福建省为例,由于桥梁老化、超载、设计与施工存在缺陷、损伤、自然灾害以及监测与养护管理不力等原因,危桥数量不断增长。根据福建省1999年的桥梁普查结果,专养公路桥梁总数和危桥数量分别为7169/139座,危桥已占公路桥梁总数的2.6%;2002年的普查表明:危桥总数已达186座,比1999年增长了33.8%。据2005年福建省全省国、省道桥梁普查结果:截止2005年12月份,全省桥梁(高速公路桥梁除外)总共有11601座、560863延米(其中特大桥47座,205554.4延米;大桥847座,205554.3延米;中桥2156座,121029.8延米;小桥8551座,152350.3延米);其中危桥有587座,23274延米,比2002年增长了215.6%。一些大型桥梁,如福州洪塘大桥、漳州郭坑大桥、福州闽江二桥、三明下洋桥、连江解放大桥等国省道桥梁的病害就曾经比较严重地影响了当地交通和经济的发展。现在每年用于危、旧桥梁改造加固的费用在飞快增长,而且还远远不能满足实际需求。然而,在当前的桥梁养护工作中存在许多不足:(1)工作效率低。桥梁的检查主要是有技术人员到桥梁现场定期检查,查看一座桥梁需花费一个人半天或一天的时间,工作效率低,不适合现代大量桥梁养护护理的要求。(2)准确性差。目前现有桥梁评估体系主要有交通部公路科学研究开发的中国公路桥梁管理系统(ChinaBridgeManagementSystem),该系统在我国的公路桥梁养护管理上得到了广泛的应用,但是其桥况数据基本上以人工采集为主,需通过检查人员到桥梁现场进行目视检查获得外部现状,通过各种外部特征来综合判断桥梁状况。由于技术人员用肉眼检查桥梁的现状,工作中存在随意性,在桥梁病害尺度的把握上存在着人为差别,而对于肉眼无法看出的危险情况则又无法准确的把握,使得通过该系统的评价结论的准确性较差。(3)养护费用高。桥梁养护的经费主要用于桥梁的加固、改造,由于缺乏预防性养护的投入,造成“出现大病后花大钱治”的现状。(4)安全性低。由于桥梁的数量巨大,而技术人员和设备的有限,导致无法对运营中的所有(或大部分)桥梁进行有效的桥况评估,时常遗漏一些危桥的重要信息而发生车毁人亡的事故。对于近二十年建成的大型桥梁,大部分建立了以收缴过桥费为主要职能的桥梁管理机构,2但是健康监测、养护与维修得不到应有的重视,往往是在出现问题后才亡羊补牢。对于存在缺陷或安全隐患的桥梁,全部予以更换不仅需要大量的资金而且要封闭交通,一般来说是不足取的一种方式;由于资金有限,也不可能一次性全部进行加固改造,需要区分轻重缓急,需要对桥梁状态作出科学准确的评判。由于大型桥梁的复杂性,传统的人工检测方法由于其滞后性、效率低,造成桥梁管理成本的提高与资源配置的不合理,已跟不上桥梁发展需求,也不符合经济运作的规律。在这种情况下,建立桥梁健康监测与安全评定系统(目前的硬件技术水平与软件已经使之成为可能),能够大大提高检测效率,实时掌握桥梁状态变化,评价桥梁的承载能力和使用功能,以及桥梁的安全可靠性,其意义主要有:(1)及时把握桥梁结构运营阶段的工作状态,识别结构损伤以及评定结构的安全、可靠性与耐久性;(2)为运营、维护、管理提供决策依据,可以使得既有桥梁的技术改造决策更加科学、改造技术方案的设计更加合理、经济;(3)验证桥梁设计建造理论与方法,完善相关设计施工技术规程,提高桥梁设计水平和安全可靠度,保障结构的使用安全,具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。在欧美、日本等一些发达国家与地区,桥梁工程的重点已由新桥建设逐步转到既有桥梁的健康监测、状态评估和养护、维修、加固与改造等方面,颁布了基于结构可靠性理论和概率思想的旧桥评估规范和规程,并且把桥梁承载能力的评估纳入桥梁管理系统范畴。桥梁管理系统包括桥梁健康监测、损伤诊断与识别、状态评估与承载力退化、可靠性与耐久性评估、使用寿命预测、加固改造技术、新型改性材料等等方面,严格科学规范管理,已经取得比较显著的经济效益。我国正处于大规模的土木工程和基础设施建设时期,许多世界瞩目的跨海桥梁工程与基础设施已经规划或正在建设之中。我国大量公路和铁路工程建设和安全运行的需求为桥梁工程健康监测及其集成系统的研究、开发与应用提供了广阔的平台和前所未有的机遇。第二节桥梁健康监测的研究与应用现状一、桥梁健康监测的基本概念Housner等(1997)的结构健康监测的定义为:“在现场进行结构特性,包括结构响应的无损检测和分析,用来检测由损坏或损伤引起的变化”。这一定义也有不足之处。当研究人员试图对健康监测的无损评估进行综合,其重点在于数据收集而不在于评估。人们的确切需要是采用一种有效方法来收集服役结构的数据并进行处理,以评估关键的性能测量,如使用性、可靠性和耐久性。因此,Housner,etal.(1997)所做的定义必须修改,结构健康监测可以定义为:“在现场进行结构特性,包括结构响应的无损检测和分析,其目的是:如果有损伤,则进行损伤识别、确定损伤的位置、估计损伤的严重程度并评价损伤对结构影响后果”(图1)。总而言之,一个结构健康监测系统必须同时能够进行结构损伤检测和状况评估。结构健康监测研究可以分为如下四个水平层次:(Ⅰ)检测损伤的存在,(Ⅱ)确定损伤的位置,(Ⅲ)估计损伤程度,(Ⅳ)确定损伤的影响以及预测剩余的疲劳寿命。进行水平(Ⅲ)的工作要求改进结构模型和分析、局部的物理检查和传统的无损评估技术。进行水平(Ⅳ)的工作要求局部位置的材料构成信息、材料老化的研究、破坏机理和高性能的计算。在过去的20年,随着仪器的改进和对复杂结构动力学的认识,在系统检测和土木结构评估方面,土木工程结构的健康监测和损伤评估已变得更为实用。土木工程和航天航空工程、机械工程有明显的差别,比如桥梁结构以及其它大多数土木结构,尺寸大、质量重,具有较低的自然频率和振动水平,低振幅,而且桥梁结构的动力响应极容易受到非结构构件等的影响,这些变化往往被误解为结构的损伤;而且钢筋混凝土桥中模型的不确定性水平比单独一根梁或一个空间桁架模型的相应值要高得多,这一切使得桥梁这类复杂结构的损伤评估具有极大的挑战性。3监测诊断评估图1结构健康监测系统的基本组成二、桥梁健康监测研究现状1桥梁监测传感器研究现状随着交通事业的发展,现代桥梁检测技术也取得了很大进步,主要包括以下几个方面:(1)雷达与红外热象仪检测技术:使用雷达、红外热象仪、激光光学、超声波和其它一些心得技术手段可在仅仅一天之内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面;(2)光纤传感器监测技术:光纤传感器具有大面积检测能力,在较长时期内能提供可靠、精确和长期的检测结果,安装了这种监测系统后,任何结构存在的问题都可以较早地被发现,以便采取必要的修复措施,从而保证结构使用的连续安全性,使结构的性能得到最佳管理,并减少使用费用。到目前为止,光纤传感器已用于许多工程,典型的工程有加拿大caleary建设的一座名为beddingtontail的一双跨公路桥内部应变状态监测;美国winooski的一座水电大坝的振动监测;国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。建于山东滨州黄河大桥健康监测系统使用了96个FBG应变温度仪,2个风速仪,39个加速度传感器和4个GPS定位器;(3)无线电检测与评估系统:目前,一种全无(电)源的、便宜的感应器开发出来,满足了测量桥梁疲劳的长期需要。这种感应器贴在桥上并且与桥梁一起承受应变。它由一个特殊的应变增幅装置和两个预先裂开的样片合成一个整体去测量裂缝长度;(4)自感应检测技术:公路桥梁的自感应检测技术的应用是广泛的。目前,美国已经设计、制造了一种便宜的位移感应器,用于翼墙的监测,已经进行两年多了,十分有效;一种新型埋入式锈蚀感应器已经在美国联邦公路局的参与下开发出来了。这种感应器可以浇筑在混凝土中,在混凝土中测量钢筋锈蚀的比率、混凝土的导电率、氯离子浓度等。目前桥梁的维修自动化需要的基本信息,被当作美国基础研究和开发的重点,这必须由感应和测量的高科技技术来提供;(5)智能混凝土a.损伤自诊断混凝土:自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。目前常用的材料组分有:聚合类、碳类、金属类和光纤,其中最常用的是碳类、金属类和光纤。碳纤维智能混凝土可以对建筑物内部和周围环境变化的实时监控,也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等,还可应用于公路路面、机场跑道等处的化雪除冰,钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护,住宅及养殖场的电热结构等;结构系统和材料获得数据信号处理激励传感器/激励器,无损评估计术建模识别模型修正模拟或计算破坏位置和严重程度估计剩余强度预计使用年限可靠度分析和估计寿命周期分析维修/维护措施4b.自调节智能混凝土:自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外,还希望它在受台风、地震等自然灾害期间,能够调整承载能力和减缓结构振动,但因混凝土本身是惰性材料,要达到自调节的目的,必须复合具有驱动功能的组件材料,如:形状记忆合金(sma)和电流变体(er)等;c.自修复智能混凝土:自愈合混凝土就是模仿生物组织,对受创伤部位自动分泌某种物质,而使创伤部位得到愈合的机能,在混凝土传统组分中复合特性组分(如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊)在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统,模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法,使材料损伤破坏后,具有自行愈合和再生功能,恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段,它们只具备了智能混凝土的某一基本特征,是一种智能混凝土的简化形式,因此有人也称之为机敏混凝土,目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能混凝土具有广阔的应用前景,但作为一种新型的功能材料,如果投入实际工程,还有很多问题需要进一步地研究:如碳
本文标题:桥梁健康监测讲义
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